基于高鐵環境下的5G網絡建設與規劃

何 麗

（中移鐵通有限公司云南分公司，昆明 650000）

1 概述

隨著信息通信技術進步和網絡應用場景擴展，人們對移動通信網絡的傳輸速率要求越來越高，移動通信技術也從2G、3G、4G，逐步演進到第五代移動通信系統（5G）。2018年5月，國際移動標準化組織3GPP工作組在韓國釜山召開了5G第一階段標準制定的最后一次會議，確定了3GPP R15標準的全部內容，并于6月正式完成并發布首個真正完整意義的國際5G第一階段標準。隨后中國三大運營商開始在上海等試點城市進行5G部署和規劃工作。2019年6月，工信部正式向中國電信、中國移動、中國聯通、中國廣電發放5G商用牌照，中國正式進入5G商用元年。5G網絡速度更快、容量更大、連接更多，具有增強型移動寬帶（Enhanced Mobile Broadband， eMBB）、高 可靠低時延通信（Ultra-Reliable and Low Latency Communications， uRLLC）、海 量 機 器 類 通 信（massive Machine Type Communications，mMTC）等3大場景，將為移動通信領域帶來革命性變化，助力形成萬物互聯的網絡社會。5G將與垂直行業進行深度融合，匹配垂直行業需求。目前高鐵下一代移動通信將采用5G技術，所以研究在高鐵環境下如何建設好5G網絡具有重要意義，是推進5G網絡在不同場景下建設的重點內容。

本文針對不同的5G網絡部署，結合高鐵環境，對5G網絡在高速鐵路環境下部署的參數以及面臨的問題進行研究，并給出一些適用的部署方案。

2 5G組網形態

5G具有高速度、高可靠性、低延時、廣連接等特點，網絡劃分核心網和無線接入網，其中無線接入網的節點有兩種，分別是改造升級后的增強型4G基站（ng-eNB）和5G基站（gNB）。gNB與ng-eNB都可以提供用戶面和數據面管理，包括無線信號頻率資源管理，無線連接建立、管理、控制，上行、下行信道用戶應用服務調度，數據壓縮、加密、監督和糾錯，接入和移動性管理，用戶端口管理等。要在高鐵環境下實現5G應用，首先需要建設和部署5G網絡，參考網絡結構如圖1所示。

圖1 5G網絡結構Fig.1 5G network structure diagram

目前5G無線接入網（RAN）有兩種部署方式，分別為獨立組網（Stand Alone，SA）與非獨立組網（Non-Standalone，NSA）。SA獨立組網指的是從零開始新建5G網絡，包括基站、回程鏈路和核心網。NSA非獨立組網指的是利用現有4G基礎設施對5G網絡進行部署，基于NSA架構的5G承載僅承載用戶數據，控制信令仍然通過4G網絡傳輸。5G NSA非獨立組網和SA獨立組網的設備連接實現形式如圖2所示。

圖2 5G獨立組網與非獨立組網Fig.2 5G independent network and non-independent network

5G NSA非獨立組網的設備連接形態為移動臺通過4G基站或5G基站連接4G核心網。5G SA獨立組網的設備連接形態為移動臺通過5G基站連接5G核心網。5G NSA非獨立組網有2種體系，分別是2系和5系。5G SA獨立組網共有3種體系，分別是3系、4系、7系，其中3系又細分為選項3、選項3a和選項3x，4系又細分為選項4和選項4a，7系又細分為選項7、選項7a和選項7x。這樣一來，5G NSA非獨立組網和獨立組網共有10種部署方案，可以進行靈活部署。這10種部署方案如圖3所示。

圖3 10種5G組網部署方式Fig.3 10 5G network deployment modes

對于SA獨立組網，2系和5系的相同之處就是他們使用的都是5G核心網，不同之處則是基站設備有所差異。2系就是僅使用5G核心網和5G基站進行部署，是5G的未來發展方向和最終形態。5系則是目前的過渡方案，需要對現有的4G基站進行改造升級，由原來的4G基站LTE eNB升級為增強型4G基站eLTE eNB，由增強型4G基站eLTE eNB代替5G基站建立與5G核心網的連接。

3 高鐵環境下的無線信道

高速鐵路環境的分類如圖4所示。由于地形環境的不同，從移動臺發送攜帶信息的電磁波會進行散射、繞射、反射等物理現象。此外，電磁波傳播還存在鏈路損耗和空間衰落，如多徑效應、大尺度衰落等。因此，對高鐵環境進行分類并根據各自信道特點進行信道模型的構建對分析高鐵5G網絡的部署十分有必要。其次在高鐵滿載時或者在高鐵站等人員密集場所勢必會引起擁塞、掉話等現象，通過合理地對高鐵環境下的5G網絡規劃，改善提高信道容量、提高信息傳輸速率進而改善用戶體驗也很有必要。

圖4 高鐵典型場景Fig.4 Typical scene of high-speed railway

高速鐵路環境下建立信道模型的基礎方法有兩種，分別為確知性信道建模和隨機性信道建模。對于隨機性信道建模或者參數建模法，更多依賴于信道測量數據，如表1所示，從中提取信道特征并總結出其滿足的多維概率密度函數、分布函數等概率特性進行隨機性信道建模。

表1 高鐵無線信道測量數據Tab.1 Wireless channel test data of high-speed railway

4 高鐵環境下的5G建設與規劃

國際電信聯盟給出了不同頻率電磁波在不同天氣條件下的空間傳播損耗，如圖5所示。

圖5 不同頻率電磁波在不同天氣條件下的空間傳播損耗Fig.5 Space propagation loss of electromagnetic waves of different frequencies under different weather conditions

目前公網5G網絡建設主要基于Sub6 GHz頻段，帶寬分配情況為：中國電信占用3.4～3.5 GHz頻段，中國聯通占用3.5～3.6 GHz，中國移動占用2 515～2 615 MHz和4.8～4.9 GHz，中 國廣 電 占 用4.9～5 GHz，4家 運 營 商 共 用3.3～3.4 GHz進行室內覆蓋。高速鐵路5G建設存在兩種思路，一種是申請專用頻段建設5G專網，另一種是與運營商合作租用5G公網，通過軟切片和硬切片的方式保障鐵路運輸通信業務需求。國內高鐵列車運行速度一般在200～500 km/h之間，5G技術應用面臨的首要問題將是多普勒效應。高鐵列車運行速度越快，多普勒效應越明顯。高鐵場景下的多普勒頻偏模型如圖6所示。

圖6 多普勒頻偏模型Fig.6 Doppler frequency offset model diagram

假設高速鐵路中基站頂端與軌道之間的垂直距離為Dmin，高鐵距離站軌距離最短點的距離為Ds，時間為t，5G電磁波信號與高鐵運動方向之間的夾角為θ(t)，高鐵運行速度為v，5G信號無線電波波長為λ，可求得頻率偏移的公式如公式（1）所示。

其中：

多普勒頻率偏移與高鐵運行速度v、電磁波波長λ、電磁波傳播方向與高鐵運動方向的夾角為θ(t)有關。當高鐵運行方向與5G電磁波信號方向夾角小于90°時，多普勒頻率偏移為正時，接收端頻率增大。反之接收頻率減少。

在高鐵運行時，信號在4.9 GHz、3.5 GHz、2.6 GHz頻段下的頻率偏移分別近似為1.8 GHz頻段下的頻率頻移的3倍、2倍和1.5倍。原有4G基站分布的站間距和抗多普勒頻移算法難以解決像5G頻段這么高的頻率偏移。高鐵環境下5G基站應配備裝有多普勒頻率偏移補償算法的設備，負責與移動臺之間的建立連接，實時監控列車速度與位置，對上行信道采取多普勒頻率偏移補償算法進行補償，從而改善頻偏帶來的影響。多普勒頻率便宜補償算法包括基于導頻的頻偏估算法、循環前綴的頻偏估計法、無限環境圖的頻偏估計法、導頻分段的頻偏估計等算法。除了物理層要解決多普勒頻偏和補償，高鐵網絡部署規劃也非常重要。網絡部署首先要進行鏈路預算，鏈路預算步驟如圖7所示。

圖7 高鐵5G通信鏈路預算步驟Fig.7 5G communication link budget steps of high-speed railway

網絡規劃最優先考慮的應該是小區覆蓋半徑，通過對路徑損耗進行計算再根據3GPP的標準模型，如Rayce射線跟蹤模型等進行基站小區半徑規劃，進而得到單個5G基站gNB的覆蓋面積，再由總的信號覆蓋面積得到5G基站gNB的個數與位置規劃參數以及小區邊緣速率。如果小區半徑過大，邊緣接收天線的接收功率勢必降低，吞吐量下降，容易導致掉話。如果小區半徑過小，會引起小區盲點增多，這種情況只能依靠鄰近小區補盲。

為了保證高鐵環境下車輛兩側良好的信號覆蓋，5G基站gNB在軌道兩旁以“Z”字形的路線在軌道兩側逐次選址建設，確保在兩輛高鐵車輛會車時均能夠得到比較好的網絡質量。為盡量降低車體穿透損耗，需要調整基站高度、基站與高鐵軌道之間的站軌距離使得θ（t）≥10°，站軌距離控制在35～120 m范圍內，基站與高鐵之間的最小距離保持在80～200 m之間。高鐵列車經過隧道時，采用泄露電纜可以解決基站無法在隧道中覆蓋的問題。高鐵列車經停高鐵站時，推薦采用數字化分室覆蓋。采用多種移動通信數字化技術混合部署如（4G與5G混合部署的非獨立組網NSA）或者額外增加5G數字化分室模塊進行部署。

5 結論

本文主要闡述了5G網絡與高鐵建設的研究背景及意義，介紹國內外5G網絡部署的發展現狀以及5G無線接入網的部署種類與方法，給出高鐵5G網絡的無線信道分類及測量數據，分析指出多普勒頻率偏移問題是影響高速鐵路5G部署的關鍵問題之一，需要采用有效的抗多普勒頻移算法及設備，在5G網絡部署前須進行完善的鏈路預算。